Evolution d'un déterminisme du sexe atypique chez un mammifère : causes et conséquences

Evolution of an unusual sex determination system in a mammal : causes and consequences

• Auteur / Autrice : Paul Saunders
• Direction : Frédéric Veyrunes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie, évolution, ressources génétiques, paléontologie
• Date : Soutenance le 07/12/2015
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de l'évolution (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Veyrunes, Catherine Montchamp-Moreau, Nicolas Perrin, Jean-François Baroiller, Sander van Doorn, Thomas Lenormand
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Montchamp-Moreau, Nicolas Perrin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Chromosomes sexuels

Souris

Détermination génétique du sexe

Mots clés libres

Souris naine africaine

Chromosomes sexuels

Conflits génomiques

Modélisation mathématique

Comportement

Femelles XY

African pygmy mouse

Sex chromosomes

Genomic conflicts

Mathematical modelling

Behaviour

XY females

Résumé

Le système de déterminisme du sexe des mammifères thériens (XX/XY) est ancien et conservé : toute déviation mène généralement à la stérilité. Cependant, quelques espèces dérogent à la règle. C’est le cas de la souris naine africaine Mus minutoides, qui possède un système de déterminisme polygénique où les mâles sont XY, et les femelles XX, XX* ou X*Y (l’astérisque désigne une mutation sur le X, féminisant les embryons X*Y, et apparue il y a presque 1 million d’années). L’évolution d’un tel système est un paradoxe : les femelles X*Y sont censées faire face à des coûts reproductifs importants (perte d’embryons YY, problèmes de méiose…), qui devraient empêcher le maintien de la mutation. Afin de mieux comprendre l’évolution de ce système, nous avons dans un premier temps cherché à identifier les mécanismes évolutifs impliqués dans l’émergence et le maintien du X*. La combinaison d’une approche empirique et d’une étude théorique basée sur des modèles de génétique des populations a permis de mettre en évidence que deux facteurs participent au maintien du X*: un meilleur succès reproducteur des femelles X*Y et la présence de distorteurs de transmission des chromosomes sexuels mâles (leur Y est transmis majoritairement dans les croisements avec des femelles XX et XX* et leur X avec des femelles X*Y). Ce second facteur est certainement à l’origine de l’émergence de ce système. Nous avons ensuite analysé les conséquences de l’évolution de ce système atypique avec trois chromosomes sexuels d’abord sur le phénotype : alors que les trois types de femelles sont indistinguables morphologiquement, les femelles X*Y présentent un comportement masculinisé (elles sont plus agressives et moins anxieuses), puis sur l’évolution de la séquence et de la structure du X et du X* (basé sur des données de séquençage NGS), mettant en évidence que ces chromosomes ont commencé à diverger. Dans l’ensemble, cette étude permet de mieux comprendre les contraintes agissant sur les systèmes de déterminisme du sexe anciens, et les conditions exceptionnelles pouvant réduire ces contraintes permettant ainsi l’évolution d’un nouveau système de déterminisme du sexe. Elle améliore aussi la compréhension de l’impact du complément en chromosomes sexuels sur le phénotype et renseigne sur les forces évolutives agissant sur les chromosomes sexuels dans ce type de système de déterminisme polygénique.

Therian mammals have an extremely conserved XX/XY sex determination system. Their highly differentiated and specialised sex chromosomes are thought to prevent any modification; however, a dozen species harbour unconventional systems. In the African pygmy mouse <i>Mus minutoides</i>, all males are XY, and there are three types of females: the usual XX but also XX* and X*Y ones (the asterisk designates a sex reversal mutation on the X chromosome, which evolved almost 1 million years ago). The evolution of such a system is a paradox, as X*Y females are expected to face high reproductive costs (loss of YY embryos, meiotic problems…), which should prevent the maintenance of the mutation. To better understand the evolution of this curious system, we first tried to identify the evolutionary mechanisms involved in the emergence and maintenance of the X*. The combination of empirical data and a theoretical approach based on population genetics models showed that two mechanisms participate in the maintenance of the system: the greater breeding success of X*Y females and the presence of sex chromosome transmission distorters (males transmit their Y more often in crosses with XX or XX* females and their X in crosses with X*Y females), the second mechanism likely being the trigger for the initial spread of the feminising chromosome. We then investigated the consequences of the evolution of this unusual system with three sex chromosomes. First on the phenotype, revealing that despite X*Y females have typical female anatomy and morphology, they resemble males on certain aspects of behaviour: they are more aggressive and less anxious than XX and XX* females. Then on the sequence and structural evolution of the X and X* (based on NGS data), showing that the two chromosomes have started diverging. Altogether, these results shed light on the constraints acting on sex determination systems with highly heteromorphic sex chromosomes and show that rare conditions can loosen these constraints. They also provide valuable insight into the impact of sex chromosome complement on phenotype, and inform on the evolutionary forces acting on sex chromosomes in that kind of polygenic sex determination system.